JP4233303B2 - 空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラシレスモータによりファンを駆動する空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置に係り、特に、ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する単一の磁極位置検出センサの出力信号に基づいてロータを位置決めして起動制御を実行する空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスモータは、ステータ巻線に交流電流を流して回転磁界を発生させることにより永久磁石が装着されたロータを回転させる。ロータを回転磁界に確実に追従させるには、ロータのＮ極及びＳ極の位置を検出する必要がある。この磁極位置の検出には、例えば、ホールセンサが用いられる。このホールセンサが１つだけの場合、複数のホールセンサを設ける場合とは違って、磁極位置を特定することができないため、起動制御を行う前に、ロータを所定の起動位置に位置決めする制動制御を実行する必要がある。
【０００３】
この制動制御の一例として有風時に回転している室外ファンの制動、停止、位置決めを行うことが提案され、この技術を回転停止中のブラシレスモータの位置決めに応用することができる。この技術は、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されたインバータ回路を備え、このインバータ回路を構成するスイッチング素子のうち、正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子をＰＷＭ通電すると共に、いずれか他方の２個のスイッチング素子をＰＷＭ通電して一定時間だけ直流励磁するというものである（特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２５５８４号公報（第５頁、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の方法は、有風時に回転している室外ファンに制動を加えて減速、停止させると共に、起動位置に停止させてから、回転磁界を発生させる起動制御を実施していた。ここで、起動位置とは、ステータの巻線電流による磁界をロータの永久磁石に作用させてロータが完全停止する位置を中心にして略±５度の範囲に停止又は揺動する状態をいう。この起動位置で起動制御を行うに当たって、ＰＷＭ通電のデューティ比を小さくするとトルク不足により室外ファンが脱調する、いわゆる、起動失敗を起こしやすくなるため、起動制御を開始する時点のＰＷＭ通電のデューティ比を比較的大きな値に設定していた。そのため、有風時に回転している室外ファンに制動を加えて減速停止させるときのＰＷＭ通電のデューティ比も起動制御を開始するときの大きさに固定されていた。
【０００６】
一方、外風の影響を受けないで起動位置とは無関係な位置に停止している状態においても、有風時と同様に起動位置に停止させる必要があるが、このとき、ＰＷＭ通電のデューティ比を起動制御を開始するときの大きさに固定すると次のａ，ｂ，ｃのような問題が発生した。
【０００７】
ａ．ファンの重量が大きくなって慣性が増大すると、ファンの振れが大きくなり、起動位置に戻るまでの時間が長くなる。このことは、冷凍サイクルの運転が開始されたにも拘わらず室外ファンが正常に回転しないことによる不具合を招くことになる。
【０００８】
ｂ．制動制御時のＰＷＭ通電のデューティ比を小さくすればファンの振れは小さくなるが起動開始時のデューティ比も小さく抑えられるためトルク不足に陥って起動失敗を起こしやすくなる。この場合、モータに印加される駆動電圧のばらつきにも左右される。
【０００９】
ｃ．磁極位置検出センサの数を増やすか、あるいは、モータ自体を高出力とすれば制動時間は短縮されるが、製品のコストの上昇を招く。
【００１０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的はファンの重量が大きくなった場合でも、ロータの磁極位置検出センサを１個しか使用しないで、迅速かつ確実な制動と起動を可能にする空気調和機のファンモータ駆動制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、空気調和機の熱交換器に送風するプロペラファンからなる室外ファンと、このファンを駆動するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する１つの磁極位置検出センサと、電圧可変の直流電圧を出力するコンバータ回路と、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、前記コンバータ回路から出力された直流を交流に変換するインバータ回路と、前記磁極位置検出センサの出力信号に基づいて前記コンバータ回路及びインバータ回路を制御して前記ブラシレスモータのステータ巻線にＰＡＭ電流を供給する制御手段とを備えた空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、
前記制御手段は、前記ブラシレスモータの起動前、前記磁極位置検出センサの出力信号に応じて前記インバータ回路の正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子及びいずれか他方の２個のスイッチング素子をオン状態にしてロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行し、前記ロータが位置決めされた後、前記磁極位置検出センサの出力信号に同期させて前記インバータの全てのスイッチング素子を所定の順序で通電して起動制御を実行すると共に、制動制御期間中のＰＡＭ通電の振幅を前記起動制御期間の最初のＰＡＭ通電の振幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、起動制御期間を、ロータの動き出しをさせる第１の期間とロータを固定させる第２の期間とに分割し、第１の期間のデューティ比よりも第２の期間のデューティ比を大きくしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、制御手段は、起動制御期間に起動が成功したか否かを判別し、起動が失敗した場合に制動制御期間、デューティ比及びその変化パターンの少なくとも１つを変更して再度制動制御を実行することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、インバータ回路に供給される直流電圧を検出する電圧検出手段を備え、検出された直流電圧が高い場合ほどＰＷＭ通電のデューティ比を小さく抑えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明は、
ファンを駆動するブラシレスモータと、ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する磁極位置検出センサと、電圧可変の直流電圧を出力するコンバータ回路と、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、コンバータ回路から出力された直流を交流に変換するインバータ回路と、磁極位置検出センサの出力信号に基づいてコンバータ回路及びインバータ回路を制御してブラシレスモータのステータ巻線にＰＡＭ電流を供給する制御手段とを備えた空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、
前記制御手段は、ブラシレスモータの起動前、磁極位置検出センサの出力信号に応じてインバータ回路の正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子及びいずれか他方の２個のスイッチング素子をオン状態にしてロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行し、ロータが位置決めされた後、磁極位置検出センサの出力信号に同期させてインバータの全てのスイッチング素子を所定の順序で通電して起動制御を実行すると共に、制動制御期間のＰＡＭ通電の振幅を起動制御期間のＰＡＭ通電の振幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用するスプリット型空気調和機の冷凍サイクルの系統図であり、暖房モード運転において、圧縮機１→四方弁２→室内熱交換器３→膨張弁４→室外熱交換器５→四方弁２→圧縮機１の経路で冷媒が循環される。この場合、凝縮器として作用する室外熱交換器５の熱交換を促進するために、ファンモータ７によって駆動される室外ファンであるプロペラファン６と、蒸発器として作用する室内熱交換器３の熱交換を促進するために、ファンモータ９によって駆動される室内ファンであるターボファン８とが設けられている。ファンモータ７及びファンモータ９はいずれもロータに永久磁石が装着されたブラシレスモータでなり、そのステータに磁極位置検出センサ（図示を省略）が取り付けられている。そして、ファンモータ７の磁極位置検出センサの位置検出信号ＭＰ１に基づいて室外ファン制御部１０がファンモータ７の制動制御及び起動制御を実行し、同様に、ファンモータ９の磁極位置検出センサの位置検出信号ＭＰ２に基づいて室内ファン制御部２０がファンモータ９の制動制御及び起動制御を実行するように構成されている。
【００２０】
図２は室外ファン制御部１０の詳細な構成を示す回路図であり、例えば、１００Ｖの商用電源でなる交流電源１１に全波整流回路１２が接続されている。この全波整流回路１２の直流出力端子間に平滑コンデンサ１３が接続され、平滑された直流がモータ駆動回路３０に供給される。モータ駆動回路３０はインバータ回路でなり、入力された直流を交流に変換してファンモータ７に供給する。モータ駆動回路３０には交流電源１１の交流電圧を入力してインバータ回路を構成するスイッチング素子の動作電力を得るようになっている。また、モータ駆動回路３０に供給される直流電圧を検出する電圧検出器１４が設けられ、制御装置４０はファンモータ７に設けられた磁極位置検出センサとしてのホールＩＣ１５の位置検出信号ＭＰ１及び電圧検出器１４の電圧検出信号ＶＤに基づいて、制動制御及び起動制御を実行する処理を実行して制御信号Ｇ１〜Ｇ６をモータ駆動回路３０に加えるように構成されている。
【００２１】
図３はモータ駆動回路３０の詳細な構成を示す回路図であり、図中、図１又は図２と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。ここで、モータ駆動回路３０はスイッチング素子としてＦＥＴ（Field Effect Transistor ）でなるトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz が３相ブリッジ接続されている。すなわち、トランジスタＦu 及びＦx の直列接続回路と、トランジスタＦv 及びＦy の直列接続回路と、トランジスタＦw 及びＦz の直列接続回路とが並列接続され、その一端がスイッチ３１を介して図示省略の直流電源（ＤＣ１４０Ｖ）の正極に接続され、他端が直流電源の負極に接続されている。これらのトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz には環流用のダイオードＤu ，Ｄv ，Ｄw ，Ｄx ，Ｄy ，Ｄz がそれぞれ逆並列に接続されている。
【００２２】
また、トランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz の各ゲートには、ホトカプラでなる駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 が接続されている。
【００２３】
これらの駆動回路の動作電力を供給するために、１次側が交流電源１１に接続されたトランス３２と、このトランス１２の２次側に直列接続されたダイオードＤ01及び平滑用のコンデンサＣ01とでなる半波整流回路を備えている。そして、コンデンサＣ01の正極が直流電源の負電圧側の駆動回路Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の一端にそれぞれ接続され、コンデンサＣ01の負極が駆動回路Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の他端にそれぞれ接続されると共に、トランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz の各ソース（負電圧側）に接続されている。また、直流電源の正電圧側の駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 にはそれぞれ駆動電力を蓄えるコンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04が並列接続され、その正極は逆流防止用のダイオードＤ02，Ｄ03，Ｄ04を介して、電流制限用の抵抗Ｒの一端に接続されている。この抵抗Ｒの他端は半波整流回路を構成するコンデンサＣ01の正極に接続されている。また、コンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04の負極はトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw の各ソースに接続されている。
【００２４】
一方、トランジスタＦu 及びＦx 、Ｆv 及びＦy 、Ｆw 及びＦz の相互接続点にそれぞれブラシレスモータ１のステータ巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの各外部接続導線が接続されている。また、ブラシレスモータ１に設けられたホールＩＣ２の信号出力導線が制御装置１０を構成するＭＣＵ（マイクロコンピュータユニット）１００に接続され、このＭＣＵ１００から出力される制御信号Ｇ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 ，Ｇ5 ，Ｇ6 をそれぞれ駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 に加えるように構成されている。
なお、制御装置４０はＭＣＵ（マイクロコンピュータ）１００を含んで構成されている。
【００２５】
以下、図３に示したモータ駆動回路３０の概略動作を説明した後で、ロータ位置を固定する制動制御について詳しく説明する。
トランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz が３相ブリッジ接続されたインバータ回路の直流入力端子間にＤＣ１４０Ｖの電圧が印加される。ここで、トランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw をインバータ回路の正電圧側のスイッチング素子と称し、トランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz をインバータ回路の負電圧側のスイッチング素子と称している。交流電源１１はＡＣ１００Ｖで、トランス３２はこの電圧を例えばＡＣ５Ｖに降圧する。降圧された交流はダイオードＤ01及びコンデンサＣ01でなる半波整流回路によって整流平滑され、得られた直流電圧が負電圧側のスイッチング素子としてのトランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz をそれぞれ駆動する駆動回路Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の両端に印加される。一方、正電圧側のスイッチング素子としてのトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw を駆動する駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 にそれぞれ並列接続されたコンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04は負電圧側のスイッチング素子がオン状態になったとき、抵抗Ｒを介して、コンデンサＣ01の両端電圧によって順次に充電（チャージアップ）される。インバータ回路３の起動前であれば、トランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz を一斉にオン状態にすることによって、コンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04は全て充電される。これによってトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz の駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の動作が可能になる。これらの駆動回路に並列接続されたコンデンサの充電回路はチャージポンプ方式として知られ、少なくとも通常運転時には各スイッチング素子に対する通電パターンによってコンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04は充電される。
【００２６】
次に、空気調和機の起動前にファンモータ７のロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行する必要がある。その１つの方法として、ＭＣＵ１００が制御信号Ｇ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 ，Ｇ5 ，Ｇ6 をそれぞれ駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 に加えることによって、正電圧側及び負電圧側のいずれか一方のスイッチング素子の１個をＰＷＭ通電すると共に他方のスイッチング素子の２個をＰＷＭ通電してＰＷＭ電流をステータ巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに流し、所定の方向の磁界を発生させてロータを停止させる方法がある。具体的には、直流電源の正電圧側のトランジスタＦu ，Ｆw をオン状態に、直流電源の負電圧側のトランジスタＦy をオン状態にする。本明細書ではこれを直流励磁による制動と称する。この直流励磁による制動はＰＷＭ電流を流すため、駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく、しかも、永久磁石の減磁を抑える効果を有している。
【００２７】
次に、制動制御について図４を用いて説明する。本実施形態に係るファンモータ７は同図（ａ）に示すように、ロータＲはＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置された８個の永久磁石を備えている。その外側のステータＳにはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に合計１２個の巻線が周方向に装着されている。ホールＩＣ１５はＵ相、Ｖ相、Ｗ相でなる一組の巻線のうち、Ｕ相巻線に近接するＷ相巻線の周方向端部に取付けられている。いま、ロータＲの中心から径方向外側に直線を引き出した位置Ｚを励磁固定位置とする。すなわち、図４（ｃ）に示すように、Ｓ極とＮ極の境界が励磁固定位置Ｚにくるようにすることをロータの位置を固定する制動制御と呼んでいる。なお、ホールＩＣ１５はロータＲのＳ極が対向したとき「Ｈ」レベルの磁極検出信号を出力し、Ｎ極が対向したとき「Ｌ」レベルの磁極検出信号を出力する。図４（ａ）に示した状態ではホールＩＣ１５は「Ｈ」レベルの信号を出力する。この磁極位置検出信号に応じてＷ相及びＶ相の各巻線の端子から電流が流入し、Ｖ相巻線から電流が流出するようにトランジスタＦu ，Ｆw ，Ｆy をオン、オフ制御してＰＷＭ電流が供給された場合、ロータＲは同図（ａ）のＡ矢印方向に回転する。このとき、ファンの重量が大きくＰＷＭのデューティ比が大きいとロータＲは同図（ｂ）に示すように大きく行きすぎてしまい、今度はＢ矢印方向に逆転して、最終的には同図（ｃ）に示した状態に落ち着く。本発明はこのような制動制御を行うに当たり、制動制御期間のＰＷＭ通電のデューティ比を起動制御期間の最初のＰＷＭ通電のデューティ比よりも小さくしたもので、これによりファンの重量が大きくともロータＲは図４（ｂ）のように大きく行きすぎることがなく迅速に所定範囲に位置決めされる。以下にその具体例を図５及び図６を用いて説明する。
【００２８】
図５（ａ）は予め定めた制動制御期間を、動き出しをさせる第１の期間と、励磁固定位置Ｚに固定する第２の期間とに分割し、第１の期間でデューティ比を一定に保持し、この第１の期間の終わりにデューティ比をステップ状に大きくしてその値を一定に保持し、さらに、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。図５（ｂ）は制動制御期間の全てにおいてデューティ比を一定に保持し、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。図５（ｃ）は第１の期間にデューティ比を徐々に増大させ、第１の期間の終わりにデューティ比をステップ状に大きくし、さらに、第２の期間においてもデューティ比を徐々に増大させ、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００２９】
図５（ｄ）は制動制御期間の全てにおいてデューティ比を徐々に増大させ、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。図５（ｅ）は制動制御期間の第１の期間と第２の期間のいずれか一方でデューティ比を一定に保持し、いずれか他方の区間でデューティ比を徐々に増大させ、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００３０】
かくして、制動制御期間のＰＷＭ通電のデューティ比を起動制御期間の最初のＰＷＭ通電のデューティ比よりも小さくし、さらに、図５（ａ）〜（ｄ）に示した制御パターンを適宜選択することによって、迅速かつ確実な制動制御と起動制御が可能になる。
【００３１】
図６（ａ）は図５（ｂ）に示すデューティ比が一定のパターンにて１回目の制動制御を実行したが、外乱等により完全な固定ができないために、万が一、起動制御を失敗した場合に、制動制御期間を長くして２回目の制動制御を実行するデューティ比の制御パターンを示している。周知の如く、図６（ａ）の第１回目の制動制御及び起動制御を実行して起動失敗と判定した場合には、その瞬間に冷凍サイクルの運転は停止せられ、制動時間に比較して格段に長い時間を経過した後でなければ冷凍サイクルが再運転されることはないので、第２回目の制動制御の時間を長くしたとしても、室外ファンが正規に回転していない状態で冷凍サイクルのみが運転されるといった不具合を生ずることはない。
【００３２】
図６（ｂ）は図５（ａ）に示すようにデューティ比をステップ状に増大させるパターンにて１回目の制動制御を実行したが、外乱等により、万が一、起動制御を失敗した場合に、制動制御期間の第２の期間のデューティ比をより大きくして２回目の制動制御を実行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００３３】
図６（ｃ）は１回目に制動制御期間のデューティ比をかなり大きな一定値に保持したがために、慣性等によって完全な固定ができずに起動制御を失敗した場合、２回目では制動制御期間の第１の期間でデューティ比を比較的小さな一定値に保持し、この第１の期間の終わりにデューティ比をステップ状に大きくしてその値を一定値に保持し、さらに、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比をより大きくして起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００３４】
なお、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は起動失敗によって制御パターンを変更する一例を示したにすぎず、起動が失敗した場合には制動制御期間、デューティ比及びその変化パターンの少なくとも１つを変更して再度制動制御を実行するようにすることにより確実な起動制御が可能となる。
【００３５】
かくして、図５及び図６にいくつかの例を示したＰＷＭ通電のデューティ比の制御パターンを用いることによって、迅速かつ確実な制動と起動が可能になる。
【００３６】
図７は上述した制動制御及び起動制御を実行するに当たり、制御装置４０を構成するＭＣＵ１００が実行する全体的な処理手順を示すフローチャートである。この場合、ステップ１０１で運転開始時か否かを判定し、運転開始時であると判定した場合にはステップ１０２にて外風によりファンが回転中か否かを判定し、回転中であればステップ１０３にてこれを停止させる制御を実行し、ファンが停止した段階でステップ１０６の処理に移り、ここで図５を用いて説明した制動、位置決め制御を実行する。次に、ステップ１０５にて図５及び図６に示した起動制御を実行し、ステップ１０６にて起動が成功したかあるいは失敗したかを判定する。ここで、成功と判定すればステップ１０７で所定の回転数制御を行ってステップ１０１以下の処理を実行し、失敗と判定した場合には図６に示したようにステップ１０８にて再び制動、位置決め制御を実行して、ステップ１０５の起動制御に移る。なお、ステップ１０１で運転開始でないと判定した場合には、ステップ１０９にて通常の制御を実行する。
【００３７】
図８は図５（ｂ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１１１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１１２で一定のデューティ比（図面ではデューティと略記する）Ｄ１で直流励磁を実行し、ステップ１１３でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１１２，１１３の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００３８】
図９は図５（ｄ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１２１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１２２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１２３でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１２２，１２３の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００３９】
図１０は図５（ａ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１３１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１３２で一定のデューティ比Ｄ１で直流励磁を実行し、ステップ１３３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１３２，１３３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１３４の処理に進む。ステップ１３４においては、デューティ比をＤ２（＞Ｄ１）に変更して直流励磁を実行し、続いて、ステップ１３５でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１３４，１３５の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００４０】
図１１は図５（ｃ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１４１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１４２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１４３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１４２，１４３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１４４の処理に移る。ステップ１４４においてはデューティ比Ｄ２（＞Ｄ０）で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ２／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１４５でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１４４，１４５の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００４１】
図１２は図５（ｅ）に示した処理のうち、第１の期間でデューティ比を増大させ、第２の期間でデューティ比を一定に保持する制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１５１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１５２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１５３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１５２，１５３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１５４の処理に進む。ステップ１５４においては一定のデューティ比Ｄ２にて直流励磁を実行し、ステップ１５４でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１５４，１５５の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００４２】
図１３は図５（ｅ）に示した処理のうち、第１の期間でデューティ比を一定に保持し、第２の期間でデューティ比を徐々に増大する制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１６１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１６２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を実行し、ステップ１６３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１６２，１６３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１６４の処理に進む。ステップ１６４において、所定のデューティ比Ｄ１で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１４５でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１６４，１６５の処理を繰り返し、超えた段階で次の処理に移る。
【００４３】
かくして、図８ないし図１３のフローチャートに示した処理を実行することによって、図５（ａ）〜（ｅ）に示した制動制御を実行することができる。
【００４４】
図１４は起動及び起動判定を行うＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートである。ここでは、ステップ２０１でデューティ比Ｄ５（＞Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２）にて強制転流を開始し、その後、所定の増加分Δｄ５／ｔでデューティ比を増加させると共に、転流の周波数を増大させる。次にステップ２０２ではその時点のデューティ比Ｄが上限値Ｄｓを超えたか否かを判定し、超えたと判定するまでステップ２０１，２０２の処理を繰り返し、超えた段階でステップ２０３の処理に進む、ステップ２０３においては、回転数ｒを検知することが可能か否かを判定し、可能と判定した場合にはステップ２０４にて回転数ｒが最小の閾値ｒｓを超えたか否かを判定し、超えたと判定した場合には周知の回転数制御を実行し、回転数ｒが最小の閾値ｒｓを超えていないと判定した場合にはステップ２０５で圧縮機を停止させる異常処理を実行し、その後、図６を用いて説明した２回目の制動制御を実行する。
【００４５】
かくして、図１４のフローチャートに示した処理を実行することによって、起動制御と、起動が正常に行われたか否かの判定が可能になる。
【００４６】
ところで、上記の実施形態は商用電源から駆動電力を受給しているため、モータ駆動回路３０に供給される直流電圧が変動することが考えられる。図２に示した電圧検出器１４は直流電圧に応じてトルクが変動することを抑制するために設けられたもので、その電圧検出信号ＶＤを制御装置４０のＭＣＵ１００に供給することによって、ＭＣＵ１００は検出電圧が変動しても一定の出力トルクが得られるように、デューティ比を変更する。この場合、直流電圧が高くなった場合にはデューティ比を小さくし、反対に、直流電圧が低くなった場合にはデューティ比を大きくする。
【００４７】
かくして、本発明の一実施形態によれば、ファンの重量が大きくなった場合でも、ロータの磁極位置検出センサを１個しか使用しないで、迅速かつ確実な制動と起動を可能にする空気調和機のファンモータ駆動制御装置が得られる。
【００４８】
なお、上記の実施形態では全波整流回路１２の出力を直接インバータ回路に供給することによりＰＷＭ通電のデューティ比を種々のパターンで変更する直流励磁について説明したが、例えば、図２中に交流電源１１とモータ駆動回路３０との間に、交流を電圧可変の直流に変換するコンバータ部を設けるか、あるいは、モータ駆動回路３０に直流を電圧可変直流に変換するコンバータ部を設け、インバータ部の通電状態を直流励磁状態に保持したままで、コンバータ部の電圧振幅を変更する、いわゆる、ＰＡＭ制御によっても、上述したと同様の制動制御を行うことができる。
【００４９】
なおまた、上記の実施形態では、制動制御期間の一部又は全部でＰＷＭのデューティ比を一定の変化率、すなわち、直線的に増大させたが、例えば放物線状に増大させても同様な効果が得られることから、連続的に増大させるものであれば良い。
【００５０】
さらに、上記の実施形態では、外風によって回転されることの多い室外ファンの制動制御及び起動制御について説明したが、本発明はこれに適用を限定されるものではなく、室内ファンにも適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、ファンの重量が大きくなった場合でも、ロータの磁極位置検出センサを１個しか使用しないで、迅速かつ確実な制動と起動を可能にする空気調和機のファンモータ駆動制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するスプリット型空気空気調和機の冷凍サイクルの系統図。
【図２】本発明の一実施形態に係る室外ファン制御部の詳細な構成を示す回路図。
【図３】本発明の一実施形態に係るモータ駆動回路の詳細な構成を示す回路図。
【図４】本発明の一実施形態の動作を説明するために、ファンモータのロータの磁極とステータの巻線の相対配置を示した説明図。
【図５】本発明の一実施形態の動作を説明するために、起動制御に先立って行われる制動制御におけるＰＷＭ通電の各種のパターンを示す図。
【図６】本発明の一実施形態の動作を説明するために、起動制御を失敗した場合に行われる制動制御におけるＰＷＭ通電の各種のパターンを示す図。
【図７】本発明の一実施形態の主要な機能をマイクロコンピュータに持たせた場合の処理手順を示すフローチャート。
【図８】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図９】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１０】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１１】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１２】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１３】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１４】本発明の一実施形態において起動制御と、起動が正常に行われたか否かの判定する機能をマイクロコンピュータに持たせた場合の処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ 圧縮機
３ 室内熱交換器
５ 室外熱交換器
６ プロペラファン
７，９ ファンモータ
８ ターボファン
１２ 全波整流回路
１３ 平滑コンデンサ
１４ 電圧検出器
１５ ホールＩＣ
３０ モータ駆動回路
３１ スイッチ
３２ トランス
４０ 制御装置
１００ ＭＣＵ
【発明の属する技術分野】
本発明は、フラシレスモータによりファンを駆動する空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置に係り、特に、ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する単一の磁極位置検出センサの出力信号に基づいてロータを位置決めして起動制御を実行する空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスモータは、ステータ巻線に交流電流を流して回転磁界を発生させることにより永久磁石が装着されたロータを回転させる。ロータを回転磁界に確実に追従させるには、ロータのＮ極及びＳ極の位置を検出する必要がある。この磁極位置の検出には、例えば、ホールセンサが用いられる。このホールセンサが１つだけの場合、複数のホールセンサを設ける場合とは違って、磁極位置を特定することができないため、起動制御を行う前に、ロータを所定の起動位置に位置決めする制動制御を実行する必要がある。
【０００３】
この制動制御の一例として有風時に回転している室外ファンの制動、停止、位置決めを行うことが提案され、この技術を回転停止中のブラシレスモータの位置決めに応用することができる。この技術は、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されたインバータ回路を備え、このインバータ回路を構成するスイッチング素子のうち、正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子をＰＷＭ通電すると共に、いずれか他方の２個のスイッチング素子をＰＷＭ通電して一定時間だけ直流励磁するというものである（特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２５５８４号公報（第５頁、図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の方法は、有風時に回転している室外ファンに制動を加えて減速、停止させると共に、起動位置に停止させてから、回転磁界を発生させる起動制御を実施していた。ここで、起動位置とは、ステータの巻線電流による磁界をロータの永久磁石に作用させてロータが完全停止する位置を中心にして略±５度の範囲に停止又は揺動する状態をいう。この起動位置で起動制御を行うに当たって、ＰＷＭ通電のデューティ比を小さくするとトルク不足により室外ファンが脱調する、いわゆる、起動失敗を起こしやすくなるため、起動制御を開始する時点のＰＷＭ通電のデューティ比を比較的大きな値に設定していた。そのため、有風時に回転している室外ファンに制動を加えて減速停止させるときのＰＷＭ通電のデューティ比も起動制御を開始するときの大きさに固定されていた。
【０００６】
一方、外風の影響を受けないで起動位置とは無関係な位置に停止している状態においても、有風時と同様に起動位置に停止させる必要があるが、このとき、ＰＷＭ通電のデューティ比を起動制御を開始するときの大きさに固定すると次のａ，ｂ，ｃのような問題が発生した。
【０００７】
ａ．ファンの重量が大きくなって慣性が増大すると、ファンの振れが大きくなり、起動位置に戻るまでの時間が長くなる。このことは、冷凍サイクルの運転が開始されたにも拘わらず室外ファンが正常に回転しないことによる不具合を招くことになる。
【０００８】
ｂ．制動制御時のＰＷＭ通電のデューティ比を小さくすればファンの振れは小さくなるが起動開始時のデューティ比も小さく抑えられるためトルク不足に陥って起動失敗を起こしやすくなる。この場合、モータに印加される駆動電圧のばらつきにも左右される。
【０００９】
ｃ．磁極位置検出センサの数を増やすか、あるいは、モータ自体を高出力とすれば制動時間は短縮されるが、製品のコストの上昇を招く。
【００１０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的はファンの重量が大きくなった場合でも、ロータの磁極位置検出センサを１個しか使用しないで、迅速かつ確実な制動と起動を可能にする空気調和機のファンモータ駆動制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、空気調和機の熱交換器に送風するプロペラファンからなる室外ファンと、このファンを駆動するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する１つの磁極位置検出センサと、電圧可変の直流電圧を出力するコンバータ回路と、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、前記コンバータ回路から出力された直流を交流に変換するインバータ回路と、前記磁極位置検出センサの出力信号に基づいて前記コンバータ回路及びインバータ回路を制御して前記ブラシレスモータのステータ巻線にＰＡＭ電流を供給する制御手段とを備えた空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、
前記制御手段は、前記ブラシレスモータの起動前、前記磁極位置検出センサの出力信号に応じて前記インバータ回路の正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子及びいずれか他方の２個のスイッチング素子をオン状態にしてロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行し、前記ロータが位置決めされた後、前記磁極位置検出センサの出力信号に同期させて前記インバータの全てのスイッチング素子を所定の順序で通電して起動制御を実行すると共に、制動制御期間中のＰＡＭ通電の振幅を前記起動制御期間の最初のＰＡＭ通電の振幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、起動制御期間を、ロータの動き出しをさせる第１の期間とロータを固定させる第２の期間とに分割し、第１の期間のデューティ比よりも第２の期間のデューティ比を大きくしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、制御手段は、起動制御期間に起動が成功したか否かを判別し、起動が失敗した場合に制動制御期間、デューティ比及びその変化パターンの少なくとも１つを変更して再度制動制御を実行することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、インバータ回路に供給される直流電圧を検出する電圧検出手段を備え、検出された直流電圧が高い場合ほどＰＷＭ通電のデューティ比を小さく抑えることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明は、
ファンを駆動するブラシレスモータと、ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する磁極位置検出センサと、電圧可変の直流電圧を出力するコンバータ回路と、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、コンバータ回路から出力された直流を交流に変換するインバータ回路と、磁極位置検出センサの出力信号に基づいてコンバータ回路及びインバータ回路を制御してブラシレスモータのステータ巻線にＰＡＭ電流を供給する制御手段とを備えた空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、
前記制御手段は、ブラシレスモータの起動前、磁極位置検出センサの出力信号に応じてインバータ回路の正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子及びいずれか他方の２個のスイッチング素子をオン状態にしてロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行し、ロータが位置決めされた後、磁極位置検出センサの出力信号に同期させてインバータの全てのスイッチング素子を所定の順序で通電して起動制御を実行すると共に、制動制御期間のＰＡＭ通電の振幅を起動制御期間のＰＡＭ通電の振幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を適用するスプリット型空気調和機の冷凍サイクルの系統図であり、暖房モード運転において、圧縮機１→四方弁２→室内熱交換器３→膨張弁４→室外熱交換器５→四方弁２→圧縮機１の経路で冷媒が循環される。この場合、凝縮器として作用する室外熱交換器５の熱交換を促進するために、ファンモータ７によって駆動される室外ファンであるプロペラファン６と、蒸発器として作用する室内熱交換器３の熱交換を促進するために、ファンモータ９によって駆動される室内ファンであるターボファン８とが設けられている。ファンモータ７及びファンモータ９はいずれもロータに永久磁石が装着されたブラシレスモータでなり、そのステータに磁極位置検出センサ（図示を省略）が取り付けられている。そして、ファンモータ７の磁極位置検出センサの位置検出信号ＭＰ１に基づいて室外ファン制御部１０がファンモータ７の制動制御及び起動制御を実行し、同様に、ファンモータ９の磁極位置検出センサの位置検出信号ＭＰ２に基づいて室内ファン制御部２０がファンモータ９の制動制御及び起動制御を実行するように構成されている。
【００２０】
図２は室外ファン制御部１０の詳細な構成を示す回路図であり、例えば、１００Ｖの商用電源でなる交流電源１１に全波整流回路１２が接続されている。この全波整流回路１２の直流出力端子間に平滑コンデンサ１３が接続され、平滑された直流がモータ駆動回路３０に供給される。モータ駆動回路３０はインバータ回路でなり、入力された直流を交流に変換してファンモータ７に供給する。モータ駆動回路３０には交流電源１１の交流電圧を入力してインバータ回路を構成するスイッチング素子の動作電力を得るようになっている。また、モータ駆動回路３０に供給される直流電圧を検出する電圧検出器１４が設けられ、制御装置４０はファンモータ７に設けられた磁極位置検出センサとしてのホールＩＣ１５の位置検出信号ＭＰ１及び電圧検出器１４の電圧検出信号ＶＤに基づいて、制動制御及び起動制御を実行する処理を実行して制御信号Ｇ１〜Ｇ６をモータ駆動回路３０に加えるように構成されている。
【００２１】
図３はモータ駆動回路３０の詳細な構成を示す回路図であり、図中、図１又は図２と同一の符号を付したものはそれぞれ同一の要素を示している。ここで、モータ駆動回路３０はスイッチング素子としてＦＥＴ（Field Effect Transistor ）でなるトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz が３相ブリッジ接続されている。すなわち、トランジスタＦu 及びＦx の直列接続回路と、トランジスタＦv 及びＦy の直列接続回路と、トランジスタＦw 及びＦz の直列接続回路とが並列接続され、その一端がスイッチ３１を介して図示省略の直流電源（ＤＣ１４０Ｖ）の正極に接続され、他端が直流電源の負極に接続されている。これらのトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz には環流用のダイオードＤu ，Ｄv ，Ｄw ，Ｄx ，Ｄy ，Ｄz がそれぞれ逆並列に接続されている。
【００２２】
また、トランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz の各ゲートには、ホトカプラでなる駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 が接続されている。
【００２３】
これらの駆動回路の動作電力を供給するために、１次側が交流電源１１に接続されたトランス３２と、このトランス１２の２次側に直列接続されたダイオードＤ01及び平滑用のコンデンサＣ01とでなる半波整流回路を備えている。そして、コンデンサＣ01の正極が直流電源の負電圧側の駆動回路Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の一端にそれぞれ接続され、コンデンサＣ01の負極が駆動回路Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の他端にそれぞれ接続されると共に、トランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz の各ソース（負電圧側）に接続されている。また、直流電源の正電圧側の駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 にはそれぞれ駆動電力を蓄えるコンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04が並列接続され、その正極は逆流防止用のダイオードＤ02，Ｄ03，Ｄ04を介して、電流制限用の抵抗Ｒの一端に接続されている。この抵抗Ｒの他端は半波整流回路を構成するコンデンサＣ01の正極に接続されている。また、コンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04の負極はトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw の各ソースに接続されている。
【００２４】
一方、トランジスタＦu 及びＦx 、Ｆv 及びＦy 、Ｆw 及びＦz の相互接続点にそれぞれブラシレスモータ１のステータ巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの各外部接続導線が接続されている。また、ブラシレスモータ１に設けられたホールＩＣ２の信号出力導線が制御装置１０を構成するＭＣＵ（マイクロコンピュータユニット）１００に接続され、このＭＣＵ１００から出力される制御信号Ｇ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 ，Ｇ5 ，Ｇ6 をそれぞれ駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 に加えるように構成されている。
なお、制御装置４０はＭＣＵ（マイクロコンピュータ）１００を含んで構成されている。
【００２５】
以下、図３に示したモータ駆動回路３０の概略動作を説明した後で、ロータ位置を固定する制動制御について詳しく説明する。
トランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz が３相ブリッジ接続されたインバータ回路の直流入力端子間にＤＣ１４０Ｖの電圧が印加される。ここで、トランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw をインバータ回路の正電圧側のスイッチング素子と称し、トランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz をインバータ回路の負電圧側のスイッチング素子と称している。交流電源１１はＡＣ１００Ｖで、トランス３２はこの電圧を例えばＡＣ５Ｖに降圧する。降圧された交流はダイオードＤ01及びコンデンサＣ01でなる半波整流回路によって整流平滑され、得られた直流電圧が負電圧側のスイッチング素子としてのトランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz をそれぞれ駆動する駆動回路Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の両端に印加される。一方、正電圧側のスイッチング素子としてのトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw を駆動する駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 にそれぞれ並列接続されたコンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04は負電圧側のスイッチング素子がオン状態になったとき、抵抗Ｒを介して、コンデンサＣ01の両端電圧によって順次に充電（チャージアップ）される。インバータ回路３の起動前であれば、トランジスタＦx ，Ｆy ，Ｆz を一斉にオン状態にすることによって、コンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04は全て充電される。これによってトランジスタＦu ，Ｆv ，Ｆw ，Ｆx ，Ｆy ，Ｆz の駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 の動作が可能になる。これらの駆動回路に並列接続されたコンデンサの充電回路はチャージポンプ方式として知られ、少なくとも通常運転時には各スイッチング素子に対する通電パターンによってコンデンサＣ02，Ｃ03，Ｃ04は充電される。
【００２６】
次に、空気調和機の起動前にファンモータ７のロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行する必要がある。その１つの方法として、ＭＣＵ１００が制御信号Ｇ1 ，Ｇ2 ，Ｇ3 ，Ｇ4 ，Ｇ5 ，Ｇ6 をそれぞれ駆動回路Ｂ1 ，Ｂ2 ，Ｂ3 ，Ｂ4 ，Ｂ5 ，Ｂ6 に加えることによって、正電圧側及び負電圧側のいずれか一方のスイッチング素子の１個をＰＷＭ通電すると共に他方のスイッチング素子の２個をＰＷＭ通電してＰＷＭ電流をステータ巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに流し、所定の方向の磁界を発生させてロータを停止させる方法がある。具体的には、直流電源の正電圧側のトランジスタＦu ，Ｆw をオン状態に、直流電源の負電圧側のトランジスタＦy をオン状態にする。本明細書ではこれを直流励磁による制動と称する。この直流励磁による制動はＰＷＭ電流を流すため、駆動回路及びモータに過度の負担をかけることなく、しかも、永久磁石の減磁を抑える効果を有している。
【００２７】
次に、制動制御について図４を用いて説明する。本実施形態に係るファンモータ７は同図（ａ）に示すように、ロータＲはＮ極とＳ極とが周方向に交互に配置された８個の永久磁石を備えている。その外側のステータＳにはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に合計１２個の巻線が周方向に装着されている。ホールＩＣ１５はＵ相、Ｖ相、Ｗ相でなる一組の巻線のうち、Ｕ相巻線に近接するＷ相巻線の周方向端部に取付けられている。いま、ロータＲの中心から径方向外側に直線を引き出した位置Ｚを励磁固定位置とする。すなわち、図４（ｃ）に示すように、Ｓ極とＮ極の境界が励磁固定位置Ｚにくるようにすることをロータの位置を固定する制動制御と呼んでいる。なお、ホールＩＣ１５はロータＲのＳ極が対向したとき「Ｈ」レベルの磁極検出信号を出力し、Ｎ極が対向したとき「Ｌ」レベルの磁極検出信号を出力する。図４（ａ）に示した状態ではホールＩＣ１５は「Ｈ」レベルの信号を出力する。この磁極位置検出信号に応じてＷ相及びＶ相の各巻線の端子から電流が流入し、Ｖ相巻線から電流が流出するようにトランジスタＦu ，Ｆw ，Ｆy をオン、オフ制御してＰＷＭ電流が供給された場合、ロータＲは同図（ａ）のＡ矢印方向に回転する。このとき、ファンの重量が大きくＰＷＭのデューティ比が大きいとロータＲは同図（ｂ）に示すように大きく行きすぎてしまい、今度はＢ矢印方向に逆転して、最終的には同図（ｃ）に示した状態に落ち着く。本発明はこのような制動制御を行うに当たり、制動制御期間のＰＷＭ通電のデューティ比を起動制御期間の最初のＰＷＭ通電のデューティ比よりも小さくしたもので、これによりファンの重量が大きくともロータＲは図４（ｂ）のように大きく行きすぎることがなく迅速に所定範囲に位置決めされる。以下にその具体例を図５及び図６を用いて説明する。
【００２８】
図５（ａ）は予め定めた制動制御期間を、動き出しをさせる第１の期間と、励磁固定位置Ｚに固定する第２の期間とに分割し、第１の期間でデューティ比を一定に保持し、この第１の期間の終わりにデューティ比をステップ状に大きくしてその値を一定に保持し、さらに、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。図５（ｂ）は制動制御期間の全てにおいてデューティ比を一定に保持し、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。図５（ｃ）は第１の期間にデューティ比を徐々に増大させ、第１の期間の終わりにデューティ比をステップ状に大きくし、さらに、第２の期間においてもデューティ比を徐々に増大させ、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００２９】
図５（ｄ）は制動制御期間の全てにおいてデューティ比を徐々に増大させ、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。図５（ｅ）は制動制御期間の第１の期間と第２の期間のいずれか一方でデューティ比を一定に保持し、いずれか他方の区間でデューティ比を徐々に増大させ、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００３０】
かくして、制動制御期間のＰＷＭ通電のデューティ比を起動制御期間の最初のＰＷＭ通電のデューティ比よりも小さくし、さらに、図５（ａ）〜（ｄ）に示した制御パターンを適宜選択することによって、迅速かつ確実な制動制御と起動制御が可能になる。
【００３１】
図６（ａ）は図５（ｂ）に示すデューティ比が一定のパターンにて１回目の制動制御を実行したが、外乱等により完全な固定ができないために、万が一、起動制御を失敗した場合に、制動制御期間を長くして２回目の制動制御を実行するデューティ比の制御パターンを示している。周知の如く、図６（ａ）の第１回目の制動制御及び起動制御を実行して起動失敗と判定した場合には、その瞬間に冷凍サイクルの運転は停止せられ、制動時間に比較して格段に長い時間を経過した後でなければ冷凍サイクルが再運転されることはないので、第２回目の制動制御の時間を長くしたとしても、室外ファンが正規に回転していない状態で冷凍サイクルのみが運転されるといった不具合を生ずることはない。
【００３２】
図６（ｂ）は図５（ａ）に示すようにデューティ比をステップ状に増大させるパターンにて１回目の制動制御を実行したが、外乱等により、万が一、起動制御を失敗した場合に、制動制御期間の第２の期間のデューティ比をより大きくして２回目の制動制御を実行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００３３】
図６（ｃ）は１回目に制動制御期間のデューティ比をかなり大きな一定値に保持したがために、慣性等によって完全な固定ができずに起動制御を失敗した場合、２回目では制動制御期間の第１の期間でデューティ比を比較的小さな一定値に保持し、この第１の期間の終わりにデューティ比をステップ状に大きくしてその値を一定値に保持し、さらに、制動制御期間を終了した段階でデューティ比を増大させて起動制御に移行するデューティ比をより大きくして起動制御に移行するデューティ比の制御パターンを示している。
【００３４】
なお、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は起動失敗によって制御パターンを変更する一例を示したにすぎず、起動が失敗した場合には制動制御期間、デューティ比及びその変化パターンの少なくとも１つを変更して再度制動制御を実行するようにすることにより確実な起動制御が可能となる。
【００３５】
かくして、図５及び図６にいくつかの例を示したＰＷＭ通電のデューティ比の制御パターンを用いることによって、迅速かつ確実な制動と起動が可能になる。
【００３６】
図７は上述した制動制御及び起動制御を実行するに当たり、制御装置４０を構成するＭＣＵ１００が実行する全体的な処理手順を示すフローチャートである。この場合、ステップ１０１で運転開始時か否かを判定し、運転開始時であると判定した場合にはステップ１０２にて外風によりファンが回転中か否かを判定し、回転中であればステップ１０３にてこれを停止させる制御を実行し、ファンが停止した段階でステップ１０６の処理に移り、ここで図５を用いて説明した制動、位置決め制御を実行する。次に、ステップ１０５にて図５及び図６に示した起動制御を実行し、ステップ１０６にて起動が成功したかあるいは失敗したかを判定する。ここで、成功と判定すればステップ１０７で所定の回転数制御を行ってステップ１０１以下の処理を実行し、失敗と判定した場合には図６に示したようにステップ１０８にて再び制動、位置決め制御を実行して、ステップ１０５の起動制御に移る。なお、ステップ１０１で運転開始でないと判定した場合には、ステップ１０９にて通常の制御を実行する。
【００３７】
図８は図５（ｂ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１１１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１１２で一定のデューティ比（図面ではデューティと略記する）Ｄ１で直流励磁を実行し、ステップ１１３でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１１２，１１３の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００３８】
図９は図５（ｄ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１２１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１２２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１２３でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１２２，１２３の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００３９】
図１０は図５（ａ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１３１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１３２で一定のデューティ比Ｄ１で直流励磁を実行し、ステップ１３３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１３２，１３３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１３４の処理に進む。ステップ１３４においては、デューティ比をＤ２（＞Ｄ１）に変更して直流励磁を実行し、続いて、ステップ１３５でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１３４，１３５の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００４０】
図１１は図５（ｃ）に示した制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１４１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１４２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１４３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１４２，１４３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１４４の処理に移る。ステップ１４４においてはデューティ比Ｄ２（＞Ｄ０）で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ２／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１４５でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１４４，１４５の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００４１】
図１２は図５（ｅ）に示した処理のうち、第１の期間でデューティ比を増大させ、第２の期間でデューティ比を一定に保持する制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１５１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１５２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１５３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１５２，１５３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１５４の処理に進む。ステップ１５４においては一定のデューティ比Ｄ２にて直流励磁を実行し、ステップ１５４でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１５４，１５５の処理を繰り返し、超えた段階で他の処理に移る。
【００４２】
図１３は図５（ｅ）に示した処理のうち、第１の期間でデューティ比を一定に保持し、第２の期間でデューティ比を徐々に増大する制動制御に対応するＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートであり、ステップ１６１にて制動制御時間を計時するタイマＴ１をスタートさせ、ステップ１６２にて、所定のデューティ比Ｄ０で直流励磁を実行し、ステップ１６３でタイマＴ１で計時した時間が動き出しの第１の期間に対応する設定値Ｔｓ０を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ０を超えるまでステップ１６２，１６３の処理を繰り返し、超えた段階でステップ１６４の処理に進む。ステップ１６４において、所定のデューティ比Ｄ１で直流励磁を開始し、その後に一定の割合Δｄ／ｔでデューティ比を増大させ、ステップ１４５でタイマＴ１で計時した時間が設定値Ｔｓ１を超えたか否かを判定し、設定値Ｔｓ１を超えるまでステップ１６４，１６５の処理を繰り返し、超えた段階で次の処理に移る。
【００４３】
かくして、図８ないし図１３のフローチャートに示した処理を実行することによって、図５（ａ）〜（ｅ）に示した制動制御を実行することができる。
【００４４】
図１４は起動及び起動判定を行うＭＣＵ１００の具体的処理手順を示すフローチャートである。ここでは、ステップ２０１でデューティ比Ｄ５（＞Ｄ０，Ｄ１，Ｄ２）にて強制転流を開始し、その後、所定の増加分Δｄ５／ｔでデューティ比を増加させると共に、転流の周波数を増大させる。次にステップ２０２ではその時点のデューティ比Ｄが上限値Ｄｓを超えたか否かを判定し、超えたと判定するまでステップ２０１，２０２の処理を繰り返し、超えた段階でステップ２０３の処理に進む、ステップ２０３においては、回転数ｒを検知することが可能か否かを判定し、可能と判定した場合にはステップ２０４にて回転数ｒが最小の閾値ｒｓを超えたか否かを判定し、超えたと判定した場合には周知の回転数制御を実行し、回転数ｒが最小の閾値ｒｓを超えていないと判定した場合にはステップ２０５で圧縮機を停止させる異常処理を実行し、その後、図６を用いて説明した２回目の制動制御を実行する。
【００４５】
かくして、図１４のフローチャートに示した処理を実行することによって、起動制御と、起動が正常に行われたか否かの判定が可能になる。
【００４６】
ところで、上記の実施形態は商用電源から駆動電力を受給しているため、モータ駆動回路３０に供給される直流電圧が変動することが考えられる。図２に示した電圧検出器１４は直流電圧に応じてトルクが変動することを抑制するために設けられたもので、その電圧検出信号ＶＤを制御装置４０のＭＣＵ１００に供給することによって、ＭＣＵ１００は検出電圧が変動しても一定の出力トルクが得られるように、デューティ比を変更する。この場合、直流電圧が高くなった場合にはデューティ比を小さくし、反対に、直流電圧が低くなった場合にはデューティ比を大きくする。
【００４７】
かくして、本発明の一実施形態によれば、ファンの重量が大きくなった場合でも、ロータの磁極位置検出センサを１個しか使用しないで、迅速かつ確実な制動と起動を可能にする空気調和機のファンモータ駆動制御装置が得られる。
【００４８】
なお、上記の実施形態では全波整流回路１２の出力を直接インバータ回路に供給することによりＰＷＭ通電のデューティ比を種々のパターンで変更する直流励磁について説明したが、例えば、図２中に交流電源１１とモータ駆動回路３０との間に、交流を電圧可変の直流に変換するコンバータ部を設けるか、あるいは、モータ駆動回路３０に直流を電圧可変直流に変換するコンバータ部を設け、インバータ部の通電状態を直流励磁状態に保持したままで、コンバータ部の電圧振幅を変更する、いわゆる、ＰＡＭ制御によっても、上述したと同様の制動制御を行うことができる。
【００４９】
なおまた、上記の実施形態では、制動制御期間の一部又は全部でＰＷＭのデューティ比を一定の変化率、すなわち、直線的に増大させたが、例えば放物線状に増大させても同様な効果が得られることから、連続的に増大させるものであれば良い。
【００５０】
さらに、上記の実施形態では、外風によって回転されることの多い室外ファンの制動制御及び起動制御について説明したが、本発明はこれに適用を限定されるものではなく、室内ファンにも適用することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、ファンの重量が大きくなった場合でも、ロータの磁極位置検出センサを１個しか使用しないで、迅速かつ確実な制動と起動を可能にする空気調和機のファンモータ駆動制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用するスプリット型空気空気調和機の冷凍サイクルの系統図。
【図２】本発明の一実施形態に係る室外ファン制御部の詳細な構成を示す回路図。
【図３】本発明の一実施形態に係るモータ駆動回路の詳細な構成を示す回路図。
【図４】本発明の一実施形態の動作を説明するために、ファンモータのロータの磁極とステータの巻線の相対配置を示した説明図。
【図５】本発明の一実施形態の動作を説明するために、起動制御に先立って行われる制動制御におけるＰＷＭ通電の各種のパターンを示す図。
【図６】本発明の一実施形態の動作を説明するために、起動制御を失敗した場合に行われる制動制御におけるＰＷＭ通電の各種のパターンを示す図。
【図７】本発明の一実施形態の主要な機能をマイクロコンピュータに持たせた場合の処理手順を示すフローチャート。
【図８】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図９】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１０】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１１】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１２】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１３】図５に示したＰＷＭ通電パターンの１つを生成するマイクロコンピュータの処理手順を示すフローチャート。
【図１４】本発明の一実施形態において起動制御と、起動が正常に行われたか否かの判定する機能をマイクロコンピュータに持たせた場合の処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ 圧縮機
３ 室内熱交換器
５ 室外熱交換器
６ プロペラファン
７，９ ファンモータ
８ ターボファン
１２ 全波整流回路
１３ 平滑コンデンサ
１４ 電圧検出器
１５ ホールＩＣ
３０ モータ駆動回路
３１ スイッチ
３２ トランス
４０ 制御装置
１００ ＭＣＵ
Claims (5)
- 空気調和機の熱交換器に送風するプロペラファンからなる室外ファンと、このファンを駆動するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する１つの磁極位置検出センサと、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、直流を交流に変換するインバータ回路と、前記磁極位置検出センサの出力信号に基づいて前記インバータ回路のスイッチング素子をオン、オフ制御して前記ブラシレスモータのステータ巻線にＰＷＭ電流を供給する制御手段とを備えた空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、
前記制御手段は、前記ブラシレスモータの起動前、前記磁極位置検出センサの出力信号に基づいて前記インバータ回路の正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子及びいずれか他方の２個のスイッチング素子をＰＷＭ通電してロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行し、前記ロータが位置決めされた後、前記磁極位置検出センサの出力信号に同期させて前記インバータの全てのスイッチング素子を所定の順序でＰＷＭ通電して起動制御を実行すると共に、制動制御期間中のＰＷＭ通電のデューティ比を前記起動制御期間の最初のＰＷＭ通電のデューティ比よりも小さくしたことを特徴とする空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置。 - 前記起動制御期間を、ロータの動き出しをさせる第１の期間とロータを固定させる第２の期間とに分割し、前記第１の期間のデューティ比よりも前記第２の期間のデューティ比を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置。
- 前記制御手段は、前記起動制御期間に起動が成功したか否かを判別し、起動が失敗した場合に前記制動制御期間、デューティ比及びその変化パターンの少なくとも１つを変更して再度制動制御を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置。
- 前記インバータ回路に供給される直流電圧を検出する電圧検出手段を備え、検出された直流電圧が高い場合ほどＰＷＭ通電のデューティ比を小さく抑えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置。
- 空気調和機の熱交換器に送風するプロペラファンからなる室外ファンと、このファンを駆動するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのロータ磁極の位置を検出する１つの磁極位置検出センサと、電圧可変の直流電圧を出力するコンバータ回路と、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、前記コンバータ回路から出力された直流を交流に変換するインバータ回路と、前記磁極位置検出センサの出力信号に基づいて前記コンバータ回路及びインバータ回路を制御して前記ブラシレスモータのステータ巻線にＰＡＭ電流を供給する制御手段とを備えた空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置において、
前記制御手段は、前記ブラシレスモータの起動前、前記磁極位置検出センサの出力信号に応じて前記インバータ回路の正電圧側及び負電圧側のいずれか一方の１個のスイッチング素子及びいずれか他方の２個のスイッチング素子をオン状態にしてロータを所定位置に位置決めする制動制御を実行し、前記ロータが位置決めされた後、前記磁極位置検出センサの出力信号に同期させて前記インバータの全てのスイッチング素子を所定の順序で通電して起動制御を実行すると共に、制動制御期間中のＰＡＭ通電の振幅を前記起動制御期間の最初のＰＡＭ通電の振幅よりも小さくしたことを特徴とする空気調和機の室外ファンモータ駆動制御装置。
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